CN102492314B

CN102492314B - 羧基化氧化石墨烯-谷氨酸纳米复合物及其制备方法

Info

Publication number: CN102492314B
Application number: CN 201110417847
Authority: CN
Inventors: 周宁琳; 顾皓; 王晓丹; 金素星; 李文皓; 沈健
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Zhou Ninglin new Mstar Technology Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102492314A

Abstract

本发明公开了一种羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物及其制备方法。所述的方法将羧基化氧化石墨烯在水中超声分散，与L-谷氨酸水溶液混合，调节pH＞3.22，混合液加热回流，产物过滤清洗至中性，干燥后得到羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。作为一种可控制备功能性羧基化氧化石墨烯的方法，本发明通过pH的调控，在羧基化氧化石墨烯的表面利用L-谷氨酸进行功能化改性，使L-谷氨酸共价结合，特别是通过酰胺化反应键合到氧化石墨烯上，不仅能增强其亲水性和生物相容性，还能利用L-谷氨酸的手性控制蛋白在材料表面的吸附，适用于作为制备生物医用制品的功能化纳米填料。

Description

羧基化氧化石墨烯-谷氨酸纳米复合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性氧化石墨烯纳米材料及其制备方法，具体涉及一种羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物及其制备方法，本发明通过pH的调控，在羧基化氧化石墨烯的表面利用L-谷氨酸进行功能化改性，使L-谷氨酸共价结合，特别是通过酰胺化反应键合到氧化石墨烯上，本发明可以增强羧基化氧化石墨烯的亲水性和血液相容性，还能利用L-谷氨酸的手性控制蛋白在材料表面的吸附,所制备的纳米复合物适用于作为制备生物医用制品的功能化纳米填料。

背景技术

二维炭材料自被发现以来引起了研究人员的广泛关注，新型二维炭材料氧化石墨烯已成为研究热点。与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯价格低廉，原料易得，有望成为聚合物纳米复合材料的优质填料。

氧化石墨烯是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连有羰基、羟基、羧基等官能团的新型材料。由于氧化石墨上键接的大量羟基、羧基、环氧基和层间水的支撑作用，更利于实现氧化石墨烯的单片剥离及连续化制备；同时，官能团还赋予氧化石墨烯片优良的化学活性和浸润性能，并使其表面带上负电，能够在水中（或碱水中）形成纳米级分散，从而为氧化石墨烯的复合应用或纳米有序组装奠定良好的基础。

氧化石墨的表面富含大量的含氧功能团，剥离后的氧化石墨片层具有很大的比表面积。氧化石墨烯的表面化学组成对材料的力学性能、生物学性能有很大影响。如已申请的申请号为201010267783.1的发明专利采用二氯亚砜活化氧化石墨，接枝有机分子对氧化石墨进行改性，得到功能化氧化石墨烯，从而改善氧化石墨烯与聚合物分子的相容性。

羧基改性的氧化石墨烯在功能化氧化石墨烯的制备中占有重要的地位，利用氧化石墨烯表面的活泼羧基，通过酰胺化或酯化反应，可使各种有机小分子、高分子、生物大分子以及含有活泼基团的功能材料被共价结合到氧化石墨烯上。目前，对于氧化石墨烯的羧基化改性的方法主要是利用氯乙酸对其进行羧基功能化，以活化氧化石墨烯表面的环氧基与羟基，使其转变成为羧基，从而提高其溶解性和生物学性能。

目前羧基化氧化石墨烯存在以下几方面的问题：羧基化氧化石墨烯片表面带有大量亲水性官能团，具有一定的润湿性能、表面活性和生物学性能，但要进一步应用于生物医药领域如高效的载药体系、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面还必须进行特定结构的设计和功能化改性。

氨基酸是构成生物体蛋白质并同生命活动有关的最基本的物质，自然界存在的大部分氨基酸都具有手性，它是在生物体内构成蛋白质分子的基本单位，而且大部分蛋白完全是由 L- 氨基酸组成的，与生物的生命活动有着密切的关系。它在抗体内具有特殊的生理功能，是生物体内不可缺少的营养成分之一。

利用氨基酸改性羧基化氧化石墨烯，不仅可增强羧基化氧化石墨烯的亲水性和血液相容性，还能利用氨基酸的手性控制蛋白在材料表面的吸附，对于研究与生物体兼容性更好的生物纳米填料具有重要的理论意义和实践意义。

发明内容

为了进一步提高羧基化氧化石墨烯生物相容性，本发明将L-谷氨酸(L-glutamic acid，L-Glu)接枝到羧基化氧化石墨烯(GeneO-COOH)片层上，设计合成了一种新型的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸(GeneO/L-Glu)纳米复合物。

本发明的另一目的是将L-谷氨酸作为一种功能改型剂，接枝到羧基化氧化石墨烯上对其进行改性，并提供一种羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的制备方法。

为了完成所述的发明任务，本发明提供一种羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的制备方法，其特征在于，将羧基化氧化石墨烯在水中超声分散，与L-谷氨酸水溶液混合，调节pH＞3.22，混合液加热回流，产物过滤清洗至中性，干燥后得到羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

本发明的制备方法中，调节混合液pH＞3.22的条件下，L-谷氨酸和氧化石墨烯发生酯化或酰胺化反应，通过共价键的方式结合起来，形成亲水性更高、溶血性能更好的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸复合物，对功能化氧化石墨烯纳米复合物进一步充填靶向药物制备纳米可控释药物胶囊，或将其作为功能化纳米填料进一步填充生物可降解大分子制备生物医用或药用制品等生物活性材料具有十分重要的意义，其研究可为开发利用功能化氧化石墨烯材料提供理论依据。

更优化和更详细地说，所述的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸复合物的制备方法，包括以下步骤：

1) 将羧基化氧化石墨烯加入超纯水中，超声分散40～180min;

2) 将L-谷氨酸加入超纯水中溶解；

3) 将羧基化氧化石墨烯水分散液与L-谷氨酸水溶液混合，调节混合液pH值＞3.22，在70～95℃下加热回流2h以上，产物反复过滤清洗至中性，烘干，得到羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

所述的羧基化氧化石墨烯可按照现有方法制备。一种制备方法主要是利用氯乙酸对其进行羧基功能化，以活化氧化石墨烯表面的环氧基与羟基，使其转变成为羧基，从而提高其溶解性和生物学性能（参见1.Xiaoming Sun, Zhuang Liu, Kevin Welsher, Joshua Tucker Robinson, Andrew Goodwin, Sasa Zaric, Hongjie Dai. Nano-Graphene Oxide for Cellular Imaging and Drug Delivery. Nano Res. 2008, 1: 203- 212. 2. 徐东，周宁琳，沈健. 羧基化氧化石墨烯的血液相容性. 高等学校化学学报. 2010，31（12）：2354- 2359.）。

所述的羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比为0.2～2:100，其中羧基化氧化石墨烯的质量以克计，水的体积以毫升计。

所述的L-谷氨酸的质量与水的体积比为0.5～5:100，其中L-谷氨酸的质量以克计，水的体积以毫升计。

所述的L-谷氨酸与羧基化氧化石墨烯的质量之比为0.5:1～2:1。

调节混合液pH值可以采用常用的酸或碱，如盐酸、硫酸或氢氧化钠（钾）、碳酸钠（钾）等。如具体实施例中，采用盐酸和氢氧化钠调节混合液pH值，所用的氢氧化钠和盐酸溶液优选为0.1mol/L。

所述混合液的pH值调节至＞3.22，加热回流后L-谷氨酸能够化学键合在羧基化氧化石墨烯。优选pH值调节至7～12，最优选pH值为10～12。

氨基酸具有两性离子的特点，在水中，氨基酸的存在形式随介质pH值不同而变化。L-谷氨酸分子是二元酸，为酸性氨基酸，pI=3.22，其电离式如下：

Figure 2011104178476100002DEST_PATH_IMAGE001

当介质pH=1-3.22时，L-谷氨酸呈2种状态，R⁺和R^±，而此时介质pH低于它的等电点，它的表面带正电，由于同性排斥作用，L-谷氨酸与GeneO-COOH无法发生化学反应，只能依靠静电作用吸附在它的表面。在介质pH=7时，L-谷氨酸呈R^-状态，可以和氧化石墨烯上未被羧基化的羟基发生酯化反应；在介质pH=10时，L-谷氨酸呈R^2-，L-谷氨酸上的氨基可以和氧化石墨烯上的羧基化发生酰胺化反应。

所述的混合液加热回流的温度和时间优选为80℃和2～3h。

本发明还涉及所述的方法制得的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

所述的纳米复合物，在羧基化氧化石墨烯表面上包含化学键合的L-谷氨酸。其中L-谷氨酸上的氨基和氧化石墨烯上的羧基化发生酰胺化反应，共价结合形成的纳米复合物，具有更为良好的亲水性和抗凝血性能。其红外光谱上，1530 cm^-1处的吸收峰消失，1625 cm^-1出现吸收峰。

本发明的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物,与现有技术中的羧基化氧化石墨烯相比,不但羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的亲水性较强,还能增强其血液相容性, 化学键合的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的亲水性提高，羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸的接触角分别为25.15°（pH=7），15.25°（pH=10），而且L-谷氨酸对羧基化氧化石墨烯表面的功能化改性可增强羧基化氧化石墨烯的血液相容性。另外，由于L-谷氨酸具有手性，其空间构型对蛋白的吸附具有显著的影响，可减少蛋白在材料表面的吸附。

本发明的有益效果是：

（1）本发明选用氧化石墨烯作为基体，基于氧化石墨烯具有一系列优点:与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯价格低廉，原料易得，成为聚合物纳米复合材料的优质填料；氧化石墨烯其六角环形片状体碳原子上连有碳基、羟基、羧基和环氧基等官能团，通过对其进行表面改性，形成羧基改性氧化石墨烯，可利用酰胺化或酯化反应，使各种有机小分子、高分子、生物大分子以及含有活泼基团的功能材料被共价结合到氧化石墨烯上。

（2）本发明选用L-谷氨酸作为改性材料，所制得的纳米材料很好地提高了羧基化氧化石墨烯的溶解性，制备出亲水性更好的改性羧基化氧化石墨烯，使其在水溶液中能良好分散，氧化石墨烯与众多水溶性聚合物分子具有良好的相容性，为以后制备聚合物/羧基化氧化石墨烯纳米复合材料的应用打下基础。

（3）本发明选用水作为反应溶剂,不仅安全性高、经济成本低、来源广泛而且储存性稳定性好。

（4）本发明将L-谷氨酸作为改性材料，可使所制备的功能化羧基化氧化石墨烯带有生物学功能，如良好的血液相容性。另外，由于L-谷氨酸具有手性，其空间构型对蛋白的吸附具有显著的影响，可减少蛋白在材料表面的吸附。

（5）本发明所合成的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸复合物，不仅可以作为功能化羧基化氧化石墨烯的基础材料，也可用作新型的功能填料，既能满足生物材料的力学性能要求，又能使羧基化氧化石墨烯具有长期的血液相容性和抗蛋白吸附的功能。。

总之，本发明所合成的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸复合材料，其合成方法可控、简单，无毒，制备周期短，易于工业化生产。本发明制备的纳米材料可广泛应用于各种高分子材料的改性和应用。

为了更清楚地说明本发明，列举以下实施例，但所述的实施例不以任何方式限制本发明。

附图说明

图1为L-谷氨酸(a)及pH=10(b)、pH=2(c)和pH=7(d)时，不同pH值条件下的羧基化氧化石墨烯和L-谷氨酸反应产物的FTIR图。

图2为L-谷氨酸(d)及pH=10(c)、pH=2(a)和pH=7(b)时，不同pH值条件下的羧基化氧化石墨烯和L-谷氨酸反应产物的XRD图。

图3为羧基化氧化石墨烯(d)，以及pH=2(a)、pH=7(b)和pH=10(c)时，不同pH条件下制备的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸的静态接触角图。

图4为L-谷氨酸(c)及pH=10(b)、pH=2(d)和pH=7(a) 时，不同pH条件下的羧基化氧化石墨烯和L-谷氨酸反应产物的热重分析图。

具体实施方式

实施例1

羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物，采用以下方法制备：

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比=5mg:1mL，以下实例中单位相同）中，超声分散2h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=10mg:1mL，以下实例中单位相同）中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值为10，在80℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

实施例2

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比=5mg:1mL）中，超声分散2h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=10mg:1mL）中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值为7，在80℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

实施例3

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与超纯水的体积比=5mg:1mL）中，超声分散2h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=10mg:1mL）中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值为2，在80℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

实施例4

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比=15mg:1mL）中，超声分散2h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=15mg:1mL）中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值分别为5，在80℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

经分析，其XRD、FTIR图谱与实施例3相似。

实施例5

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比=15mg:1mL）中，超声分散1h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=20mg:1mL）中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值为12，在85℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

经分析，其XRD、FTIR图谱与实施例1相似。

实施例6

将处理好的羧基化氧化石墨烯加入水（羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比=20mg:1mL）中，超声分散2h；将L-谷氨酸溶于水（L-谷氨酸的质量与水的体积比=10mg:1mL中；将两者等体积混合，以0.1mol/L的氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节混合液的pH值为8，在80℃下冷凝回流2h，反复抽滤清洗至中性，烘干。

经分析，其XRD、FTIR图谱与实施例2相似。

实施例1、2和3制得的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物，分别采用XRD、FTIR、TG和静态接触角等分析方法对产物的结构与性能进行表征，其结果见图1～4。

图1中，1640 cm^-1和1530 cm^-1处的吸收峰分别对应于-C=O的伸缩振动和-NH₂的振动吸收峰。从图中可以看出pH=2时，曲线C上Glu红外吸收峰弱，说明此时GeneO-COOH和L-Glu未能发生很好的键合。pH=7时，1640 cm^-1的吸收峰峰型增大，归属于酯基的吸收峰或酯基上-C=O吸收峰。pH=10时，1530 cm^-1处的吸收峰已经消失，出现了1625 cm^-1的吸收峰，可归属于酰胺吸收带；说明L-谷氨酸的氨基和羧基化的氧化石墨烯发生了酰胺化反应。

从图2中可以看出，在pH=2、7时，d值分别为7.79 nm、8.78 nm，从峰型上看是趋于形成无定形复合物，由于pH=2、7时L-谷氨酸和羧基化氧化石墨烯结合方式有所差异导致层间距有所不同。在pH=10时，曲线基线低且平稳，衍射峰峰型窄而尖，且衍射峰峰型较小，形成了结晶型复合物，是由于L-谷氨酸和羧基化氧化石墨烯通过共价键的方式结合造成的。

从图3中可以看出，在pH=7、10条件下L-谷氨酸与羧基化氧化石墨烯发生反应使其表面亲水性能增强。根据测量，GeneO-COOH、pH=2、pH=7和pH=10制得的纳米复合物的水接触角分别为32.91°、52.93°、25.15°、15.25°。亲水性表面与血液界面间的亲和性较大，使其与水的界面自由能大大降低，减少了材料对血液中多种组份的吸附及其他相互作用，因而呈现良好的血液相容性。

从图4中可以看出，当pH=2 时，样品在230℃时几乎分解完全，这是由于L-谷氨酸没有与羧基化的氧化石墨烯发生共价键合反应，L-谷氨酸主要是通过物理吸附的作用吸附在羧基化的氧化石墨烯表面；在pH=7时，在120℃以前表观水失重为5%，在150～210℃之间样品中极性基团分解，失重约为20%；pH=10时，从TG曲线可以看出，复合物分解较缓慢，表明L-Glu和GeneO-COOH反应较充分。不同于pH=2，pH=7、10时羧基化氧化石墨烯和L-谷氨酸反应产物二者发生了化学反应，均是以共价键键合。

Claims

1.一种羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的制备方法，其特征在于，将羧基化氧化石墨烯在水中超声分散，所述的羧基化氧化石墨烯的质量与水的体积比为0.2～2:100，其中羧基化氧化石墨烯的质量以克计，水的体积以毫升计；与L-谷氨酸水溶液混合，其中L-谷氨酸的质量与水的体积比为0.5～5:100， L-谷氨酸的质量以克计，水的体积以毫升计；所述的L-谷氨酸与羧基化氧化石墨烯的质量之比为0.5:1～2:1；调节pH＞3.22，混合液加热回流，产物过滤清洗至中性，干燥后得到羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

2.根据权利要求1所述的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的制备方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：

a) 将羧基化氧化石墨烯加入超纯水中，超声分散40～180min；

b) 将L-谷氨酸加入超纯水中溶解；

c) 将羧基化氧化石墨烯水分散液与L-谷氨酸水溶液混合，调节混合液pH值为＞3.22，在70～95℃下加热回流2h以上，产物反复过滤清洗至中性，烘干，得到羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

3.根据权利要求1或2所述的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物的制备方法，其特征在于：所述的混合液pH值调节至7～12。

4.根据权利要求1到3所述的任一方法制得的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物。

5.根据权利要求4所述的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物，其特征在于，所述的纳米复合物，在羧基化氧化石墨烯表面上包含化学键合的L-谷氨酸。

6.根据权利要求4所述的羧基化氧化石墨烯/L-谷氨酸纳米复合物，其特征在于，所述的纳米复合物的红外光谱上，1530 cm^-1处的吸收峰消失，1625 cm^-1出现吸收峰。